Электроматериаловедение - Припои и клеи

ГЛАВА XVII.
ПРИПОИ И КЛЕИ
§ 93. Припои и флюсы
В электрических аппаратах, машинах и электротехнических установках возникает необходимость соединения различных металлических токоведущих частей и проводников. Такие соединения можно осуществлять с помощью зажимных устройств, но в этом случае соединения не являются надежными и могут быть легко нарушены. Характерным для них является то, что места соединения обладают более высоким электрическим сопротивлением, чем сами соединяемые металлические части. Такие зажимные устройства встречаются в лабораторных установках, электрических аппаратах и др.
Обычно же соединение проводниковых металлических частей осуществляется пайкой или сваркой. Пайка — это процесс соединения при нагревании металлов сплавами. Эти сплавы получили название припои. Температура плавления припоев должна быть ниже температуры плавления соединяемых металлов. Расплавленный припой заполняет пространство между соединяемыми металлами, которые сами при этом не расплавляются, но частично растворяются. Прочность соединения при пайке обусловливается взаимным растворением припоя и соединяемых металлов.
В зависимости от величины температуры плавления припоев они разделяются на мягкие и твердые. Мягкие припои имеют температуру плавления до 450° С, а у твердых припоев — эта температура выше 450° С. Для изготовления припоев применяют сплавы различных цветных металлов: олова, свинца и др. На качество припоев оказывают большое влияние примеси некоторых металлов. Например, примеси алюминия и цинка (в количестве 0,001%) вызывают зернистость оловянно-свинцовых припоев. Это вызывает растрескивание места спая при красном калении и тем самым ухудшает сплавление соединяемых материалов.
Мягкие припои обладают меньшей механической прочностью, чем твердые.
В табл. 49 приведен состав, основные характеристики и области применения нескольких мягких припоев.
В качестве твердых припоев применяются сплавы меди и цинка; меди, серебра и цинка; алюминия, меди и кремния и др. В табл. 50 приведены основные характеристики некоторых из этих припоев. Припои изготовляют в виде слитков, стержней, прутков и трубок. В трубках имеется сердечник из канифольного флюса, который позволяет производить пайку без предварительного флюсования места пайки.
При пайке необходимым условием хорошего соединения является чистота поверхностей соединяемых деталей, что достигается при помощи веществ, получивших название флюсов.

Состав и основные характеристики мягких припоев

Назначение флюсов заключается в удалении с поверхности деталей окислов и  в предохранении соединяемых металлов от окисления. В качестве флюсов при пайке мягкими припоями широко применяют канифоль (светлые сорта); раствор 25 частей канифоли в этиловом спирте (75 частей); водный раствор хлористого цинка (35—50%) и другие вещества. При пайке твердыми припоями в качестве флюсов используют буру прокаленную (при пайке медными и медно-цинковыми припоями); флюс, состоящий из фтористого калия (10 частей), хлористого цинка (8 частей), хлористого лития (32 части), хлористого калия (50 частей). Этот флюс применяется для пайки алюминиевых проводов и детален алюминиевыми припоями.
Во избежание коррозии металлов остатки флюса после пайки нужно удалить.

Таблица 50 Состав и основные характеристики твердых припоев

Саму пайку производят с помощью газовой горелки или паяльной лампы, а также в печах, где создается восстановительная газовая среда. Широко распространен метод пайки мягкими припоями с помощью паяльников.
Для пайки применяется также индукционный нагрев соединяемых металлических деталей токами высокой частоты. Кроме того, существует еще один способ пайки, при котором соединяемые металлические детали погружают в расплавленный припой.

§ 94. Клеи и вяжущие составы

Клен и вяжущие составы широко применяют в производстве электрических аппаратов и приборов. Так, магнитные сердечники, состоящие из двух П-образных частей, склеивают друг о другом с помощью клея на основе эпоксидной смолы. Клеи широко применяют для соединения пластмассовых или керамических деталей друг с другом или с металлическими частями. От клеящих и вяжущих веществ не всегда требуются высокие электроизоляционные свойства.
Эти вещества, в первую очередь, должны обладать свойством склеивания, т. е. прилипания к металлическим и неметаллическим материалам. Это свойство иногда называют адгезией, что и означает прилипаемость. Склеивание каких-либо двух материалов происходит в результате сцепления клея с поверхностями склеиваемых материалов. В результате химических реакций, протекающих в пленке клея, последняя превращается в твердое вещество, прочно соединяющее склеенные материалы. Согласно современным воззрениям соединение (сцепление) пленки клея с поверхностью склеиваемых материалов возникает не только вследствие химических реакций, но также в результате появления межмолекулярных и электростатических сил между пленкой клея и поверхностями склеиваемых материалов.
На прочность клеевого шва оказывают влияние толщина и сплошность клеевой пленки, объемная усадка ее после склеивания, состав и структура склеиваемых материалов, а также степень подготовки склеиваемых поверхностей и другие факторы. Клей должен целиком заполнять зазор между склеиваемыми частями. Толщина клеевой пленки не должна быть очень большой, но она должна обеспечивать непрерывность клеевого слоя на всей площади склеивания. Для обеспечения сплошной клеевой пленки оптимальной толщины и проникновения клея в поры склеиваемых поверхностей они должны предварительно подгоняться друг к другу и тщательно очищаться от загрязнений с помощью растворителей.
Для лучшего склеивания многие материалы (металлы, пластмассы) подвергают обработке пескоструйными аппаратами или ошкуриванию для получения некоторой шероховатости склеиваемых поверхностей. Это обеспечивает повышение прочности клеевого шва. С этой же целью склеиваемые детали необходимо подвергать сжатию при определенных удельных давлениях. Очень многие клеи для своего отвердевания требуют нагрева до температуры 90—150° С и выше.
Все клеящие и вяжущие вещества обычно делят на три основные группы: клеи, пасты и вяжущие составы (связки). По своему химическому составу и происхождению клеи составляют большую группу веществ. В электротехнике применяют клеи на основе синтетических смол, обладающих наибольшей клеящей способностью. Многие из этих клеев обеспечивают достаточно высокий уровень электрических характеристик. К таковым относятся глифталевые клеящие лаки, широко применяемые для склеивания листочков слюды в производстве слюдяной слоистой изоляции. Сюда же относятся бакелитовые лаки, широко применяемые в производстве слоистых электроизоляционных пластмасс (гетинакс, текстолит и др.).
Большое применение получили клеи БФ, представляющие собой спиртовые растворы бутварно-фенольных смол. Эти клеи выпускаются трех марок: БФ-2, БФ-4 и БФ-6. Они отличаются друг от друга своим составом и имеют свои особенности, которые обусловливают области их применения. Так, клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для склеивания металлов, пластмасс, стекол, керамики, слюды и древесины (друг с другом). Клей БФ-4 обеспечивает высокую сопротивляемость клеевого шва вибрациям. Клей БФ-6 образует эластичный клеевой шов и поэтому рекомендуется для склеивания резин и тканей друг с другом и для приклеивания их к металлам и пластмассам.
Клеи БФ наносятся в два слоя на каждую склеиваемую поверхность. Время сушки первого слоя при комнатной температуре составляет 1ч, после чего наносится второй слой клея, который подсушивается тоже в течение одного часа. После этого склеиваемые детали соединяют друг с другом и слегка притирают. Затем их помещают под пресс или в струбцину, чтобы обеспечить удельное давление от 4 до 12 кГ/см2.
Отвердевание клеевого шва происходит при температурах 120—180° С (БФ-2 и БФ-4) и 90—100° С (БФ-6) в течение 0,5—3 ч Увеличение времени нагрева повышает прочность клеевого шва. Для выдержки клеевого шва при повышенных температурах склеиваемые детали помещают в термостат или применяют пресс с обогреваемыми плитами.
Образующиеся при опрессовании соединяемых деталей подтеки клея удаляют (соскабливают) шпателем (металлической лопаточкой) или тряпкой.
Клеевые швы, образуемые клеями БФ, стойки к воде, минеральным маслам, керосину, бензину и многим спиртам. Они не вызывают коррозии металлов и могут работать в интервале температур от —60 до +60° С.
Значительное применение в электротехнике получили клеи на основе эпоксидных смол жидких и твердых. Как известно, эпоксидные смолы отличаются высокой прилипаемостью (адгезией) к металлам, пластмассам, стеклам, керамике и другим материалам. Кроме того, эпоксидные смолы и клеи отличаются малой объемной усадкой при отвердевании, что повышает прочность клеевого шва.
Из эпоксидных клеев широко применяют клей на смолах ЭД-5 и ЭД-6, представляющих собой жидкие сиропообразные массы, с которые вводятся 6,5% отвердителя — полиэтиленполиамина **. Исходные компоненты тщательно перемешиваются. Приготовленный клей пригоден к применению в течение 30—40 мин, по истечении которых начинает сильно загустевать и постепенно превращаться в твердое вещество. Поэтому отвердитель (полиэтиленполиамин) необходимо вводить в смолу ЭД-5 непосредственно перед применением клея. На предварительно подготовленные и очищенные поверхности наносится один слой клея, которому дают подсохнуть на воздухе в течение 15—30 мин. Затем склеиваемые поверхности соединяют друг с другом и сдавливают при удельном давлении 1—2,5 кГ/см2. Отвердевание клеевого шва происходит при 20° С в течение 24 ч. Для обеспечения более прочного клеевого шва необходима еще дополнительная обработка его при 150°С в течение 4 ч.
Если в смолу ЭД-5 и ЭД-6 ввести другой отвердитель — малеиновый ангидрид (30%), то получится клей горячего отвердевания. В этом случае клеевой шов отвердевает при 150°С в течение 6—8 ч.
Находят применение эпоксидные клеи на смолах Э-40, Э-41 и др. с введением в них отвердителей холодного отвердевания (полиэтиленполиамин и др.) или горячего отвердевания (ангидриды — фталевый или малеиновый и др.). В некоторые из эпоксидных клеев вводят еще пластификаторы — маслообразные жидкости. Они обеспечивают клеевому шву эластичность и стойкость к вибрации.
Основной характеристикой клеев (перед их применением) является вязкость, которая должна доводиться до значений, предписываемых технологической инструкцией на данный клей. Для этого клеевую смесь приходится подогревать, а вязкость клея строго контролировать с помощью вискозиметров. Эпоксидные клеи могут также представлять собой порошки или прутки ***. Порошкообразный клей наносят тонким слоем на предварительно нагретые поверхности (90—120° С) склеиваемых металлических или пластмассовых деталей. При применении клея в виде прутка им натирают нагретые поверхности склеиваемых частей. В остальном технология склеивания этими эпоксидными клеями не отличается от описанной ранее для жидких эпоксидных клеев. Отвержденные эпоксидные клеевые швы могут работать в интервале температур от —60 до —(-100° С. Следует отметить, что отвержденные эпоксидные клеевые швы и клеи БФ обладают хорошими электрическими характеристиками.
Кроме клеев, в электротехнике применяют пасты — густые вязкие составы. Так, для обмазки лобовых частей обмоток применяют пасту «ЭЛПСИ», состоящую из масляно-битумного лака № 462 и 35—40% талька или портландцемента. Эту густую массу наносят на лобовую часть обмоток машин в несколько слоев. Каждый нанесенный слой сушат при 20° С в течение 1—2 ч, а затем в термостате при 90—100° С. В результате на поверхности обмотки образуется плотный, но не хрупкий изоляционный слой, не размягчающийся в процессе работы. Он предохраняет обмотки от увлажнения и повышает их теплопроводность.
Вяжущие составы (связки) представляют собой тестообразные текучие массы, которые с течением времени твердеют. В отличие от клеев эти составы применяют не для склеивания металлов, керамики или пластмасс. Они предназначаются для заделки (крепления) металлической арматуры на изоляторах, например фланцев на проходных и опорных изоляторах, для наклейки чугунных шапок на подвесные изоляторы, а также для закрепления в головках подвесных и штыревых изоляторов металлических стержней.
Для армирования изоляторов нашли наибольшее применение цементно-песчаные вяжущие составы (цементно-песчаные связки). Они состоят из 2—3 частей высококачественного портландцемента (марки 500 или 600) и одной части промытого кварцевого песка. Для освобождения от различного рода загрязнении и крупных частиц песок просеивают через сито с 50—60 отверстиями па квадратный сантиметр. Затем его смешивают с портландцементом. В полученную смесь вводят от 15 до 17% воды (по отношению к весу сухих компонентов). При этом вначале в сосуд наливают воду, в которую постепенно засыпают приготовленную цементно-песчаную смесь, перемешивая ее с водой. Полученный цементно-песчаный состав представляет собой текучую тестообразную массу, хорошо заполняющую выемки в изоляторах и в металлической арматуре. Это дает возможность достигнуть плотного и прочного соединения металлической арматуры с керамической основой изоляторов. Первоначальную прочность при комнатной температуре цементно-песчаный состав приобретает через 4—8 ч, в зависимости от сорта цемента. Чем выше марка портландцемента (400; 500; 600), тем быстрее протекает период его схватывания — первоначального твердения.
Полное отвердевание цементно-песчаных связок при комнатной температуре протекает в течение 12—16 суток. В дальнейшем механическая прочность связок продолжает еще нарастать. Для ускорения процесса отвердевания цементно-песчаные связки подвергают пропариванию. Для этого их помещают в закрытые камеры, заполняемые водяным паром, в которых температура поддерживается па уровне 70—80° С. В этих условиях процесс отвердевания цементно-песчаной связки заканчивается через 16—18 ч. Механическая прочность цементно-песчаных связок возрастает при их уплотнении вибрацией или другими способами.

 
*             ПВНО — прибор с огневым обогревом для определения вспышки паров. Имеются приборы с электрическим обогревом (ПВНЭ).

*          Ингибитор (лат.), — задерживающий.
*             Меньшие значения удельного объемного сопротивления и электрической прочности относятся к пластикатам для защитных кабельных шлангов.

*      Здесь и в отношении других конденсационных смол не приводятся характеристики водопоглощения, теплостойкости и морозостойкости, так как эти смолы не имеют самостоятельного применения, а являются основами лаков и пластмасс.

*            В расплавленном состоянии канифоль растворяет окислы меди и олова и обеспечивает надежную пайку.

* При частоте 10* Гц.
** В направлении — перпендикулярно слоям. В направлении — параллельно слоям значения электрической прочности будут меньше указанных в таблице.
*** Зга характеристика не определяется у тонких сортов гетинакса: VI, VII и VIII.
** Eпр = 33—35 кВ/мм относится к миканиту толщиной 0,15 мм марки ПФКА.
** Наибольшими значениями электрической прочности (27—28 кВ/мм) обладают гибкие миканиты на слюде мусковит (толщиной 0,15—0,26 мм).
*Слой древесной целлюлозы.

**       Полиэтиленполиамин — жидкость, хорошо смешивающаяся с жидкой эпоксидной смолой.

***  Порошкообразный клей («эпоксид-Г1»); клеи в виде прутков.